(57)【要約】  流体装置は、分析物に結合するのに適した機能化材料で覆われた少なくとも１つの機能化された活性領域を含む流体通路を有する少なくとも１つのバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造を含むベース構造を含む。流体通路を画定する１つ以上の壁構造、カバー構造、またはベース構造の一部分は、追加の機能化材料を含み、少なくとも１つの分析物に結合するように構成された少なくとも一つの吸収体を形成する。ＢＡＷ共振器構造の動的測定範囲は、少なくとも１つの吸収体が少なくとも１つの機能化された活性領域の上流に配置されるときに増加する。
2019509488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体装置であって、以下：
ベース構造であって、
（ｉ）基板と、
（ｉｉ）前記基板によって支持された少なくとも一つのバルク音波共振構造であって、前記少なくとも一つのバルク音波共振構造が、圧電材料と、前記圧電材料の一部の上に配置された上側電極と、前記圧電材料の少なくとも一部の下に配置された下側電極とを含み、ここで前記圧電材料の少なくとも一部が、前記上側電極と前記下側電極との間に配置されて、活性領域を形成する、バルク音波共振構造と、
（ｉｉｉ）前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記活性領域の少なくとも一部の上に配置され、少なくとも１つの機能化された活性領域を形成する機能化材料と、を含むベース構造；
前記ベース構造の少なくとも一部の上に配置され、前記活性領域を含む流体通路の側方境界を画定し、複数の構成要素を含む流体を受け取るように構成された壁構造；および、
前記壁構造の上に配置され、前記流体通路の上部境界を画定するカバー構造、
を備え、
ここで前記ベース構造は、前記流体通路の下方境界を画定し；
ここで前記壁構造、前記カバー構造、または前記活性領域と一致しない前記ベース構造の一部の１つまたは複数が、追加の機能化材料を含み、少なくとも１つの分析物を結合するよう構成された少なくとも１つの吸収体を形成する、流体装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの機能化された活性領域は、前記流体通路に露出された第１の凝集表面領域を含み、前記少なくとも１つの吸収体は、前記流体通路に露出された前記第１の凝集表面領域よりも大きい前記流体通路に露出された第２の凝集表面領域を含む、請求項１に記載の流体装置。
【請求項３】
前記流体通路に露出された前記第２の凝集表面領域は、前記流体通路に露出された前記第１の凝集表面領域の少なくとも約１０倍大きい、請求項２に記載の流体装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの吸収体の前記追加の機能化材料は、前記少なくとも１つの機能化された活性領域の前記機能化材料と同じ化学的または生物学的組成を含む、請求項１に記載の流体装置。
【請求項５】
前記壁構造、前記カバー構造、または前記機能化材料もしくは前記追加の機能化と一致しない位置における前記ベース構造のうちの１つまたは複数の少なくとも一部の上に配置されたブロッキング材料をさらに含む、請求項１に記載の流体装置。
【請求項６】
前記壁構造および前記カバー構造は、モノリシックボディ構造で具体化されている、請求項１に記載の流体装置。
【請求項７】
前記壁構造および前記ベース構造は、モノリシックボディ構造で具体化されている、請求項１に記載の流体装置。
【請求項８】
前記カバー構造がカバー層を含み、前記壁構造が少なくとも１つの壁層を含み、前記少なくとも１つの壁層が前記ベース構造と前記カバー層の間に配置されている、請求項１に記載の流体装置。
【請求項９】
前記ベース構造が、前記基板と前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造との間に配置された少なくとも１つの音響反射素子をさらに含む、請求項１に記載の流体装置。
【請求項１０】
前記基板は、前記活性領域の下に配置された凹部を画定する、請求項１に記載の流体装置。
【請求項１１】
前記圧電材料は、前記基板の面の法線に対して主に非平行である配向分布を有するｃ軸を含む、請求項１に記載の流体装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの機能化された活性領域の前記機能化材料と前記上側電極との間に配置された自己組織化単層をさらに含む、請求項１に記載の流体装置。
【請求項１３】
前記自己組織化単層と前記上側電極との間に配置された界面層をさらに備える、請求項１２に記載の流体装置。
【請求項１４】
前記界面層と前記上側電極との間に配置された気密層をさらに備える、請求項１３に記載の流体装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の流体装置であって、ここで：
前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造は、複数のバルク音波共振器構造を含み；
前記少なくとも１つの機能化された活性領域は、複数の機能化された活性領域を含み；
前記少なくとも１つの吸収体は、複数の吸収体を含み；そして
前記複数の吸収体の少なくともいくつかの吸収体は、前記流体通路を通る複数の構成要素を含む前記流体の流れの方向に対し、前記複数の機能化された活性領域の１つ以上の機能化された活性領域の上流に配置されている、流体装置。
【請求項１６】
生物学的または化学的センシングのための方法であって、前記方法が、以下：
分析物を含む流体を、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の前記流体装置の前記流体通路へ供給する工程であって、ここで前記供給する工程が、前記分析物の第１の部分を、前記少なくとも１つの吸収体の前記少なくとも１つの追加の機能化材料に結合させ、かつ、前記分析物の第２の部分を前記少なくとも１つの機能化された活性領域の前記機能化材料に結合させるよう構成されている、工程；
前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の活性領域にバルク音波を誘導する工程；および、
前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の振幅−規模特性（amplitude-magnitude property）、周波数特性、または位相特性のうちの少なくとも１つの変化をセンシングして、前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記機能化材料に結合した分析物の存在または量の少なくとも１つを示す、工程
を含む、方法。
【請求項１７】
流体装置を製造する方法であって、前記方法は、以下：
基板によって支持された少なくとも１つのバルク音波共振器構造を含むベース構造を形成する工程であって、ここで前記少なくとも１つのバルク音波共振構造は圧電材料と、前記圧電材料の少なくとも一部の上に配置された上側電極と、前記圧電材料の少なくとも一部の下に配置された下側電極と、前記上側電極と前記下側電極との間に配置された圧電材料の一部によって形成された活性領域とを含む、工程；
前記ベース構造の少なくとも一部の上に壁構造とカバー構造とを形成する工程であって、ここで前記壁構造は、前記活性領域を含む流体通路の側方境界を画定し、複数の構成要素を含む流体を受け入れるように構成されており、前記カバー構造は、前記壁構造の上に配置され、前記流体通路の上部境界を画定するものであり、そして、前記流体通路の下部境界は、前記ベース構造によって画定されている、工程；
前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記活性領域の上に機能化材料を堆積させて、少なくとも１つの機能化された活性領域を形成する工程；および、
前記壁構造の少なくとも一部、前記カバー構造の少なくとも一部、または前記活性構造と一致しない前記ベース構造の部分のうちの１つ以上の上に、追加の機能化材料を堆積させ、少なくとも１つの吸収体を形成する工程
を含む、方法。
【請求項１８】
（ｉ）前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記活性領域の上に前記機能化材料を堆積させる工程、または（ｉｉ）前記壁構造の少なくとも一部、前記カバー構造の少なくとも一部、または前記活性領域と一致しない前記ベース構造の一部の１つ以上の上に、前記追加の機能化材料を堆積させる工程、が、前記ベース構造の少なくとも一部の上に、前記壁構造または前記カバー構造の少なくとも１つを形成した後に実施される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記壁構造の少なくとも一部、前記カバー構造の少なくとも一部、または前記活性領域と一致しない前記ベース構造の一部のうちの１つ以上の上に自己組織化単層を堆積させる工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記壁構造、前記カバー構造、または前記機能化材料と一致しない位置および前記追加的な機能化材料と一致しない位置における前記ベース構造のうちの少なくとも１つ以上の少なくとも一部の上に、ブロッキング材料を堆積させる工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の陳述
本出願は、２０１６年３月１１日に出願された仮特許出願第６２／３０６，７９９号の利益を主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
【０００２】
本開示は、バイオセンサーまたは生化学センサー用途に適した流体装置および関連システムを含む、音響共鳴装置を組み込んだ流体装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
バイオセンサー（または生物学的センサー）は、生物学的要素および生物学的応答を電気信号に変換するトランスデューサーを含む分析装置である。特定のバイオセンサーは、特異的結合材料（例えば、抗体、受容体、リガンド等）と標的種（例えば、分子、たんぱく質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）の間の選択的生化学反応を伴う。この非常に特異的な反応からの生成物はトランスデューサーによって測定可能な量に変換される。センサーによっては、例えば化学的感知用途で有用かもしれない、サンプル内に存在する可能性のある複数の種類もしくはクラスの分子または他の部分を結合できる非特異的結合材料を用いるものがある。本明細書で用いられる「機能化材料」という用語は、一般に特異的結合材料と非特異的結合材料の両方に関係している。変換方法は、電気化学的、光学的、電気的、音響的等のさまざまな原理に基づくことができる。これらのうち、音響変換は、実時間、無標識、低コスト並びに高感度といった多くの潜在的利点を提供する。
【０００４】
音波装置は圧電材料を通過するかまたはその表面を伝搬する音波を利用し、これにより伝搬経路の特性の変化が音波の速度および／または振幅に影響する。音波装置の活性領域に沿った特異的結合材料中に具現化される機能化材料が存在すると、特異的被検物質はこの特異的結合材料に結合することが可能となる。この結合により、音波によって振動して質量が変化し、音波の伝搬特性（例えば、速度、それによる共振周波数）が変化する。速度の変化は音波装置の周波数、振幅−規模（amplitude-magnitude）、または位相特性を測定することで監視でき、かつ測定される物理的量に相関させることができる。
【０００５】
圧電結晶共振器の場合、音波は圧電材料中で伝搬するバルク音波（bulk acoustic wave、ＢＡＷ）または圧電材料の表面で伝搬する弾性表面波（surface acoustic wave、ＳＡＷ）のいずれかを具現化することができる。ＳＡＷ装置には圧電材料の表面に沿って交差指型トランスデューサーを用いる音波（通常、二次元のレーリー波を含む）の変換を伴い、音波はほぼ１波長の侵入深度に限定される。ＢＡＷ装置は、典型的には、圧電材料の対向する上面および底面に配置された電極を用いて音波の変換を含む。ＢＡＷ装置では、３つの音波モードで音波が伝搬する。すなわち、１つの縦モード（圧縮波／伸長波とも呼ばれる縦波を具現化したもの）および２つのせん断モード（横波とも呼ばれるせん断波を具現化したもの）である。縦モードおよびせん断モードはそれぞれ、粒子の動きが音波伝搬の方向に平行または垂直になる振動を特定する。縦モードは、伝搬方向の圧縮および伸長を特徴とし、せん断モードは、伝搬方向に垂直な動きから構成されるが、体積の局所的な変化はない。縦モードおよびせん断モードは異なる速度で伝搬する。実際、粒子振動または分極が伝搬方向に厳密に平行でも垂直でもないように、これらのモードも必ずしも純粋なモードではない。各モードの伝搬特性は、材料特性と軸配向に対する伝搬方向とに依存する。せん断変位を生成する能力は流体（例えば、液体）を用いる音波装置の動作には有利である。なぜなら、せん断波は流体に大きなエネルギーを付与しないからである。
【０００６】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む（ただしこれらに限定されない）六方晶系圧電材料などの特定の圧電薄膜は、縦モード共振およびせん断モード共振の両方を発生させることができる。電極間に配置された圧電材料を用いてせん断モードを含む波を発生させるために、圧電薄膜内の分極軸は通常、膜平面に対して非垂直である（例えば、膜平面に対して傾いている）必要がある。液体媒体を含む生物学的感知用途では、共振器のせん断成分が用いられる。そのような用途では、圧電材料は下部基板の一面に対して垂直でないＣ軸配向分布とともに成長し、ＢＡＷ共振器構造は電極全体に交流信号を印加すると明らかなせん断応答を示すことができる。
【０００７】
通常、ＢＡＷ装置は高周波動作を容易にするのに好適な微小規模の機能を提供する必要があるため、微少電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造技術により製造される。バイオセンサーの文脈において、機能化材料（例えば、特異的結合材料。生物活性プローブまたは生物活性剤とも呼ばれる）を、マイクロアレイスポッティング針を用いるマイクロアレイスポッティング法（マイクロアレイ印刷法とも呼ばれる）によりセンサー表面に置く場合がある。（例えば、複数のタイプまたは種の分子の結合を可能にする）非特異的結合の有用性を提供する機能化材料は特定の状況、例えば化学的感知でも用いることができる。
【０００８】
ＢＡＷ装置におけるマイクロスケール活性領域の使用は、高周波動作を可能にし、高感度を提供するが、活性領域と関連し得る機能化材料の限られた量は、機能化材料が、容易に飽和し得ることを意味し、それは、機能化された活性領域の結合部位が、追加の分析物を受け取るために利用可能ではない状態に相当する。飽和が起こると、分析物の濃度を正確に決定することができないため、測定精度が低下する。言い換えると、少なくとも１つの機能化されたマイクロスケール活性領域を組み込んだＢＡＷ装置は、測定可能な最大測定値と最小測定値との間の比を表す用語「動的測定範囲」を用いて、限定された動的測定範囲を被る可能性がある。飽和の可能性を減らすためにサンプルを希釈することは可能であるが、追加のサンプル調製装置および工程の使用は、サンプル分析に伴うコストおよび複雑さを増加させる。
【０００９】
したがって、従来の生化学検出装置は、限られた動的測定範囲に悩まされ、センサーの飽和を回避するために煩雑なサンプル調製（例えば、希釈）ステップを必要とする可能性がある。したがって、従来の装置に関連する制限を克服する、バイオセンシングまたは生化学検出用途などのＢＡＷ共振器構造を組み込んだ流体装置が必要とされている。
【発明の概要】
【００１０】
概要
本開示は、ベース構造と、壁構造と、ベース構造によって形成された少なくとも１つのバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造の機能化された活性領域を含む流体通路を画定する（bounding）カバー構造とを含む流体装置に関し、ここで、壁構造、カバー構造、または機能化された活性領域と一致しないベース構造の一部の１つ以上は、追加の機能化材料を含み、少なくとも１つの分析物に結合するよう構成された少なくとも１つの吸収体（absorber）（「吸収体領域」とも呼ばれる）を形成する。少なくとも１つの吸収体は、所定の分析物濃度で、少なくとも１つのＢＡＷ共振器構造の機能化された活性領域の機能化材料の飽和の可能性を低減することによって、流体装置の動的測定範囲を増加させるように構成される。複数の機能化された活性領域が存在する場合、ＢＡＷ共振器構造の動的測定範囲は、機能化された活性領域と直列に吸収体を散在させることによって増加させることができる。
【００１１】
一態様では、流体装置は、（ｉ）基板と、（ｉｉ）前記基板によって支持された少なくとも一つのバルク音波共振構造であって、圧電材料と、前記圧電材料の一部の上に配置された上側電極と、前記圧電材料の少なくとも一部の下に配置された下側電極とを含み、ここで前記圧電材料の少なくとも一部が、前記上側電極と前記下側電極との間に配置されて、活性領域を形成する、バルク音波共振構造と、（ｉｉｉ）前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記活性領域の少なくとも一部の上に配置され、少なくとも１つの機能化された活性領域を形成する機能化材料と、を含むベース構造と；前記ベース構造の少なくとも一部の上に配置され、前記活性領域を含む流体通路の側方境界を画定し、複数の構成要素を含む流体を受け取るように構成された壁構造と；そして、前記壁構造の上に配置され、前記流体通路の上部境界を画定するカバー構造と、を備え、ここで前記ベース構造は、前記流体通路の下方境界を画定し、ここで前記壁構造、前記カバー構造、または前記活性領域と一致しない前記ベース構造の一部の１つ以上が、追加の機能化材料を含み、少なくとも１つの分析物を結合するよう構成された少なくとも１つの吸収体を形成する。
【００１２】
特定の実施形態では、前記少なくとも１つの機能化された活性領域は、前記流体通路に露出された第１の凝集表面領域を含み、前記少なくとも１つの吸収体は、前記流体通路に露出された前記第１の凝集表面領域よりも大きい、前記流体通路に露出された第２の凝集表面領域を含む。特定の実施形態では、前記流体通路に露出された前記第２の凝集表面領域は、前記流体通路に露出された前記第１の凝集表面領域の少なくとも約１０倍大きい。
【００１３】
特定の実施形態では、前記少なくとも１つの吸収体の追加の機能化材料は、前記少なくとも１つの機能化された活性領域の機能化材料と同じ化学的または生物学的組成を含む。
【００１４】
ある実施形態では、前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造は、複数のバルク音波共振器構造を含み、前記少なくとも１つの機能化された活性領域は、複数の機能化された活性領域を含み、前記少なくとも１つの吸収体は複数の吸収体を含み、前記複数の吸収体の少なくとも一部の吸収体は、前記複数の機能化された活性領域の１つ以上の機能化された活性領域の上流に、前記流体通路を通る複数の成分を含む流体の流れの方向に対して配置されている。
【００１５】
ある実施形態では、前記流体装置は、前記壁構造、前記カバー構造、または前記機能化材料もしくは前記追加の機能化と一致しない位置における前記ベース構造のうちの１つまたは複数の少なくとも一部の上に配置されたブロッキング材料をさらに含む。
【００１６】
ある実施形態では、前記壁構造および前記カバー構造は、モノリシックボディ構造で具体化される。
【００１７】
ある実施形態では、前記壁構造および前記ベース構造は、モノリシックボディ構造で具体化される。
【００１８】
ある実施形態では、前記カバー構造はカバー層を含み、前記壁構造は少なくとも１つの壁層を含み、前記少なくとも１つの壁層は前記ベース構造と前記カバー層の間に配置される。
【００１９】
ある実施形態では、前記ベース構造は、前記基板と前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造との間に配置された少なくとも１つの音響反射素子（acoustic reflector element）をさらに含む。
【００２０】
ある実施形態では、前記基板は、活性領域の下に配置された凹部を画定する。
【００２１】
ある実施形態では、前記圧電材料は、前記基板の面の法線に対して主に非平行である配向分布を有するｃ軸を含む。
【００２２】
ある実施形態では、前記流体装置は、前記少なくとも１つの機能化された活性領域の機能化材料と前記上側電極との間に配置された自己組織化単層（a self-assembled monolayer）をさらに含む。ある実施形態では、前記流体装置は、自己組織化単層と上側電極との間に配置された界面層をさらに含む。ある実施形態では、前記流体装置は、前記界面層と前記上側電極との間に配置された気密層をさらに含む。
【００２３】
ある実施形態では、生物学的または化学的センシングのための方法は、分析物を含む流体を、本明細書に開示された前記流体装置の流体通路内に供給する工程であって、ここで前記供給する工程は、前記分析物の第１の部分を、前記少なくとも１つの吸収体の前記少なくとも１つの追加の機能化材料に結合させ、かつ、前記分析物の第２の部分を前記少なくとも1つの機能化された活性領域の前記機能化材料に結合させるよう構成されている、工程；前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の活性領域にバルク音波を誘導する工程；および、前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の振幅−規模特性（amplitude-magnitude property）、周波数特性、または位相特性のうちの少なくとも１つの変化をセンシングして、前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記機能化材料に結合した分析物の存在または量の少なくとも１つを示す、工程、を含む。
【００２４】
別の態様では、流体装置を製造する方法は、基板によって支持された少なくとも１つのバルク音波共振器構造を含むベース構造を形成する工程であって、ここで前記少なくとも１つのバルク音波共振構造は圧電材料と、前記圧電材料の少なくとも一部の上に配置された上側電極と、前記圧電材料の少なくとも一部の下に配置された下側電極と、前記上側電極と前記下側電極との間に配置された圧電材料の一部によって形成された活性領域とを含む、工程；前記ベース構造の少なくとも一部の上に壁構造とカバー構造とを形成する工程であって、ここで前記壁構造は、前記活性領域を含む流体通路の側方境界を画定し、複数の構成要素を含む流体を受け入れるように構成され、前記カバー構造は、前記壁構造の上に配置され、前記流体通路の上部境界を画定し、そして、前記流体通路の下部境界は、前記ベース構造によって画定されている、工程；前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記活性領域の上に機能化材料を堆積させて、少なくとも１つの機能化された活性領域を形成する工程；および、前記壁構造の少なくとも一部、前記カバー構造の少なくとも一部、または前記活性構造と一致しない前記ベース構造の部分のうちの１つ以上の上に、追加の機能化材料を堆積させ、少なくとも１つの吸収体を形成する工程、を含む。
【００２５】
ある実施形態では、（ｉ）前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造の前記活性領域上に前記機能化材料を堆積させる工程、または（ｉｉ）前記壁構造の少なくとも一部、前記カバー構造の少なくとも一部、または前記活性領域と一致しない前記ベース構造の一部の１つ以上の上に、前記追加の機能化材料を堆積させる工程が、前記ベース構造体の少なくとも一部の上に、前記壁構造または前記カバー構造の少なくとも１つを形成した後に、実施される。
【００２６】
ある実施形態では、前記方法は、前記壁構造の少なくとも一部、前記カバー構造の少なくとも一部、または前記活性領域と一致しない前記ベース構造の一部のうちの１つ以上の上に自己組織化単層を堆積させる工程をさらに含む。
【００２７】
ある実施形態では、前記方法は、前記壁構造、前記カバー構造、または前記機能化材料と一致しない位置および前記追加的な機能化材料と一致しない位置における前記ベース構造のうちの少なくとも１つ以上の少なくとも一部の上に、ブロッキング材料を堆積させる工程をさらに含む。
【００２８】
別の側面では、さらなる利点を求めて上記の側面のいずれかおよび／または本明細書で説明する様々な他の側面ならびに特徴を組み合わせてもよい。本明細書で特に記載がない限り、本明細書に開示する様々な特徴および要素のいずれかを開示の他の１つ以上の特徴および要素と組み合わせてもよい。
【００２９】
当業者は、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読めば、本開示の範囲を理解し、本開示のさらなる側面を実現することができる。
図面の簡単な説明
【００３０】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を示し、説明と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本明細書に開示された実施形態で使用可能なバルク音波（ＢＡＷ）ＭＥＭＳ共振器装置の一部の概略断面図であり、上側電極と下側電極の重なり部分の間に配置された圧電材料を有する活性領域を含む。
【００３２】
【図２】図２は、圧電材料と、気密層、界面層、自己組織化単層、および機能化（例えば、特異的結合）材料とを重ね合わせた上側電極を含むＢＡＷ  ＭＥＭＳ共振器装置の上部の概略断面図である。
【００３３】
【図３Ａ】図３Ａは、ＢＡＷ共振器構造を組み込んだベース構造によって下から境界が定められ、壁構造によって横方向に境界が定められ、入口ポートおよび出口ポートを画定するカバー構造によって上から境界を定められた流体通路を含む流体装置の一部分の概略上面平面図であり、一般に入口ポートと出口ポートとの間に配置された前記ＢＡＷ共振器構造の機能化された活性領域を有する。
【００３４】
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの流体装置部分の概略的な断面図であり、図３ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。機能化された活性領域の上に配置された機能化材料を示し、機能化された活性領域と一致しないベース構造の他の部分の上に配置されたブロッキング材料を示している。
【００３５】
【図４Ａ】図４Ａは、図３Ａおよび３Ｂの流体装置部分の概略平面図であり、機能化された活性領域上の流体通路内を流動する流体サンプルを有する。
【００３６】
【図４Ｂ】図４Ｂは、図３Ａ、３Ｂおよび図４Ａの流体装置部分の概略断面図であり、図４Ａの切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。機能化された活性領域の上の流体通路内を流動する流体サンプルを有し、分析物で飽和されている機能化された活性領域を覆う機能化材料を有する。
【００３７】
【図５Ａ】図５Ａは、ＢＡＷ共振器構造を組み込んだベース構造によって下から境界が定められ、壁構造によって横方向に境界が定められ、入口ポートおよび出口ポートを画定するカバー構造によって上から境界が定められた流体通路を含む流体装置の一部の概略上面平面図であり、本開示の実施態様に沿って、一般に入口ポートと出口ポートとの間に配置されたＢＡＷ共振器の機能化された活性領域を有し、ベース構造に関連し、機能化された活性領域の上流に配置された機能化材料を含む吸収体領域を有する。
【００３８】
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの流体装置部分の概略的な断面図であり、図５ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。機能化された活性領域および吸収体領域に関連する機能化材料を示し、機能化された活性領域および吸収体領域と一致しないベース構造の他の部分の上に配置されたブロッキング材料を示す。
【００３９】
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａおよび５Ｂの流体装置部分の概略平面図である。機能化された活性領域の上の流体通路内を流動する流体サンプルを有する。
【００４０】
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ａの流体装置部分の概略的な断面図であり、図６Ａに示された切断線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。吸収体領域および機能化された活性領域上の流体通路内を流れる流体サンプルを有し、吸収体領域および機能化された活性領域の活性化材料に結合した分析物物質を有する。
【００４１】
【図７Ａ】図７Ａは、ＢＡＷ共振器構造を組み込んだベース構造によって下から境界を画定され、壁構造によって横方向に境界を画定され、入口ポートおよび出口ポートを画定するカバー構造によって上から境界を画定された流体通路を含む流体装置の一部の概略上面平面図であり、本開示の実施態様に沿って、一般に入口ポートと出口ポートとの間に配置されたＢＡＷ共振器構造の機能化された活性領域を有し、ベース構造、壁構造およびカバー構造に関連し、機能化された活性領域の上流に配置された追加の機能化材料を含む吸収体領域を有する。
【００４２】
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの流体装置部分の概略的な断面図であり、図７ＡのＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、一実施形態の、機能化された活性領域および吸収体領域に関連する機能化材料を示し、機能化された活性領域および吸収体領域と一致しないベース構造の他の部分の上に配置されたブロッキング材料を示している。
【００４３】
【図８】図８は、吸収体領域と機能化された活性領域の交互の配置を有し、流体通路内に順番に配置された機能化材料を含む１０個の機能化された活性領域と１０個の吸収体領域とを有する１０個のＢＡＷ共振器構造を組み込んだ流体装置（図９に図示）で観察された濃度および実際の濃度対位置のプロットであり、最初の５つの機能化された活性領域が分析物で飽和していることを示す、観察された濃度と実際の濃度との間の相違を伴っている。
【００４４】
【図９】図９は、流体通路内に順番に配置された機能化材料を含む１０個の機能化された活性領域と１０個の吸収体領域とを有する１０個のＢＡＷ共振器構造を組み込んだ流体装置の少なくとも一部の概略断面図であり、吸収体領域と機能化された活性領域の交互の配置を有し、最初の５つの吸収体領域と機能化された活性領域は分析物で飽和しており、残りの５つの吸収体領域および機能化された活性領域は結合した分析物の量の減少を含む。
【００４５】
【図１０Ａ】図１０Ａ−１０Ｅは、図９の流体装置の部分の拡大概略断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａ−１０Ｅは、図９の流体装置の部分の拡大概略断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａ−１０Ｅは、図９の流体装置の部分の拡大概略断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ａ−１０Ｅは、図９の流体装置の部分の拡大概略断面図である。
【図１０Ｅ】図１０Ａ−１０Ｅは、図９の流体装置の部分の拡大概略断面図である。
【００４６】
【図１１Ａ】図１１Ａは、特定の実施形態による装置で使用可能な薄膜バルク音波共振器（ＦＢＡＲ）構造の概略断面図であり、ＦＢＡＲ構造は、傾斜ｃ軸六方晶構造圧電材料と、場合によっては支持層で覆われたキャビティを画定する基板と、キャビティで示された活性領域を含み、上側電極と下側電極との重なり部分の間に配置された圧電材料の一部を有する。
【００４７】
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１ＡのＦＢＡＲ構造の概略的な断面図であり、続いて、ＦＢＡＲ構造の少なくとも一部の上に、気密層、界面層、自己組織化単層、および機能化（例えば、特異的結合）材料が追加される。
【００４８】
【図１２】図１２は、本明細書に開示されている気密層、界面層、自己組織化単層、および機能化（例えば、特異的結合）材料を受け取るのに適したバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の上面図である。
【００４９】
【図１３】図１３は、本明細書で開示される複数のバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置を含むベース構造と、ＭＥＭＳ共振器装置の活性領域を含むマイクロ流体チャネルの横方向境界を画定する中間壁構造層と、およびマイクロ流体チャネルの上部境界を画定するカバー構造層とを組み込んでいるマイクロ流体装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
詳細な説明
以下に示す実施形態は、当業者がこれらの実施形態を実施するのに必要な情報を表し、これらの実施形態の最善の形態を示している。添付の図面を参照して以下の説明を読めば、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書で特に取り上げていない用途にも気付くであろう。当然のことだが、これらの概念および用途は本開示および添付図面の範囲内にある。
【００５１】
「第１の」、「第２の」等の用語は、本明細書で様々な要素を表現するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではないと理解すべきである。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、第１の要素を第２の要素と表現し、同様に第２の要素を第１の要素と表現してもかまわず、これによって本開示の範囲を逸脱することはない。本明細書で用いられる「および／または」は、関連するリスト項目の１つ以上の組み合わせをすべて含む。
【００５２】
当然のことだが、ある要素がもう１つの要素に「接続（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」または「連結（ｃｏｕｐｌｅｄ）」されていると表現されるときは、その要素に直接接続または直接連結していることもあれば、介在する要素が存在する可能性がある。一方、要素がもう１つの要素に「直接接続されている」または「直接連結されている」と表現される場合には介在する要素は存在しない。
【００５３】
なお、「上部（ｕｐｐｅｒ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「最下部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「中間（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）」、「真ん中（ｍｉｄｄｌｅ）」、「最上部（ｔｏｐ）」等の用語は、本明細書で様々な要素を表現するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、第１の要素と第２の要素の相対的な位置関係によって、第１の要素を「上部」要素と表現し、同様に第２の要素を「上部」要素と表現してもかまわず、これによって本開示の範囲を逸脱することはない。
【００５４】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することをのみを目的としており、本開示の範囲を制限することを意図していない。本明細書で用いる単数表現「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈で特に明確な別段の断りがない限り、複数表現も含むことを意図している。本明細書で用いる「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、特徴、整数、手順、操作、要素および／または構成要素の存在を指定しているが、１つ以上の他の特徴、整数、手順、操作、要素および／または構成要素の存在または追加を排除するものでない。
【００５５】
別段の定義がない限り、本明細書で用いるあらゆる用語（技術的用語および科学的用語）は本開示が属する分野の通常の当業者が一般に理解しているのと同じ意味を有する。本明細書で用いる用語は本明細書の文脈における意味と同じであると解釈し、本明細書で明確に定義されない限り、理想化された意味または過度に正式な意味に解釈しないものと理解すべきである。
【００５６】
本開示は、ベース構造、壁構造、および前記ベース構造によって形成された少なくとも１つのバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造の機能化された活性領域を含む流体通路を画定するカバー構造を含む流体装置に関する。流体通路は、複数の構成要素を含む流体を受け入れるように構成される。壁構造、カバー構造、または機能化された活性領域と一致しないベース構造の一部の１つ以上は、追加の機能化材料を含み、少なくとも１つの分析物を結合するように構成された少なくとも１つの吸収体を形成する。少なくとも１つの吸収体は、少なくとも１つのＢＡＷ共振器構造の機能化された活性領域の機能化材料の飽和の可能性を低減することによって、流体装置の動的測定範囲を増加させるように構成される。本明細書で開示される流体装置を製造するための方法、ならびにこのような流体装置を使用する生物学的または化学的検出のための方法がさらに提供される。
【００５７】
好ましくは、少なくとも１つの吸収体は、流体が下流の機能化された活性領域に到達する前に、流体の流れの中で分析物に結合することができるように、少なくとも１つのＢＡＷ共振器構造の上流に配置される。ある実施形態では、複数の機能化された活性領域を含む複数のＢＡＷ共振器構造が提供されてもよく、複数の吸収体領域が設けられてもよく、ここで少なくともいくつかの吸収体領域は、機能化された活性領域および吸収体領域を含む流体通路を通過する流れの方向に対し、１つ以上の活性化した機能化領域の上流に配置される。特定の実施形態では、機能化材料を含む機能化された活性領域および吸収体領域は、吸収体領域および機能化された活性領域の交互配置によって、流体通路内に順番に配置されてもよい。
【００５８】
特定の実施形態では、１つ以上の吸収体領域のある量の機能化材料が、１つ以上の機能化された活性領域の機能化材料の量を超える。例えば、少なくとも１つの機能化された活性領域は、流体通路に露出した第１の凝集表面領域を含み、少なくとも１つの吸収体領域は、流体通路に露出した第１の凝集表面領域より大きい流体通路に露出した第２の凝集表面領域を含んでもよい。特定の実施形態では、（質量、面積、または結合部位の数に基づいて）１つ以上の吸収体領域の機能化材料  対  １つ以上の機能化された活性領域の機能化材料の比は、少なくとも１：１、少なくとも５：１、少なくとも１０：１、少なくとも５０：１、少なくとも１００：１、少なくとも５００：１、少なくとも１，０００：１、少なくとも５，０００：１、または少なくとも１０，０００：１であり、ここで（該当する場合）前述の制限なし範囲は、１００：１まで、５００：１まで、１，０００：１まで、５，０００：１まで、１０，０００：１まで、または１５，０００：１までの上限境界比で任意に画定されてもよい。
【００５９】
特定の実施形態では、少なくとも１つの吸収体領域の機能化材料は、少なくとも１つの吸収体領域が、少なくとも一つの機能か活性領域と同じ属（genus(es)）および／または種（species）の分析物に結合できるように、少なくとも１つの機能化された活性領域の機能化材料と同じ化学的または生物学的組成物を含んでもよい。他の実施形態では、少なくとも１つの吸収体領域の機能化材料は、対象の種と競合する種を除去するのに有用であり得るように、少なくとも１つの機能化された活性領域の機能化材料とは異なる化学的または生物学的組成を含み得、それにより動的範囲を拡大させる役割も果たす。特定の実施形態では、少なくとも１つの吸収体領域および少なくとも１つの機能化された活性領域は、特異的結合材料で機能化される。他の実施形態では、少なくとも１つの吸収体領域および少なくとも１つの機能化された活性領域は、非特異的結合材料で機能化される。
【００６０】
特定の実施形態では、機能性材料と一致しない領域に流体通路を画定する１つ以上の表面上にブロッキング材料を配置することができる。ブロッキング材料の存在は、機能化材料の付着および／または下に位置する自己組織化単層（ＳＡＭ）への分析物の非特異的結合を防止し得る。
【００６１】
特定の実施形態では、ＢＡＷ共振器構造は、圧電材料が形成された基板の面の法線方向に非平行（および非垂直）である配向分布を有するｃ軸を含む六方晶構造の圧電材料（例えば、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛）を含み、それによって、擬似剪断モードの音響共振器を提供する。このようなｃ軸配向分布は、ある周波数でせん断変位を生成することを可能にし（これは有益には液体環境でＢＡＷ共振器ベースの検出装置の動作を可能にする）、他の周波数で長手方向変位を生成することを可能にする（それは、局所的混合を促進するのに有用であり得る）。基板の面の法線に対して主に非平行である配向分布を有するｃ軸を含む六方晶構造の圧電材料を形成する方法は、２０１６年１０月１３日に出願された米国特許出願第１５／２９３，０６３号に開示されており、上記の出願は参照により本明細書に組み込まれる。傾斜したｃ軸配向を有する圧電材料を形成するための追加の方法が、１９８７年２月３日に発行された米国特許第４，６４０，７５６号に開示されており、前記特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【００６２】
機能化材料を含む機能化された活性領域および吸収体領域を有する流体装置を説明する前に、例示的なバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置、生化学的検出ユーティリティを提供するために有用な関連層、およびＭＥＭＳ共振器装置を組み込んだ流体装置を紹介する。
【００６３】
特定の実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器装置は、基板と、基板の少なくとも一部の上に配置されたＢＡＷ共振器構造と、ＢＡＷ共振器構造の活性領域の少なくとも一部の上に配置された機能化材料とを含む。気密層（例えば、液体環境における腐食から上側電極を保護するためのもの）、界面層、および／または自己組織化単層（ＳＡＭ）などの様々な層は、機能化材料と（ＢＡＷ共振器構造の活性領域と一致する）上側電極との間に、少なくとも１つの上層材料層の付着を容易にするのに有用である界面層および／またはＳＡＭと共に配置されてもよく、最終的に機能化材料を含む。特定の実施形態では、界面層は、上層のＳＡＭの取り付けを容易にし、ＳＡＭは、上層の機能化材料の付着を容易にする。特定の実施形態では、複数の機能化材料を提供することができる。
【００６４】
図１は、本明細書で開示される実施形態で使用可能な、バルク音波（ＢＡＷ）ＭＥＭＳ共振器装置１０の一部の概略断面図である。共振器装置１０は、基板１２（例えば、一般には、シリコンまたはその他の半導体材料）、基板１２上に配置された音響反射体１４、圧電材料２２、下側電極２０および上側電極２８を含む。下側電極２０は圧電材料２２の底面２４の一部に沿って配置されており（音響反射体１４と圧電材料２２とに挟まれている）、上側電極２８は圧電材料２２の上面２６の一部に沿って配置されている。圧電材料２２が上側電極２８と下側電極２０との重複部分に挟まれている領域が共振器装置１０の活性領域３０とみなされる。音響反射体１４は音波を反射する役割があるため、音波の基板１２内での消失を減少または回避する。特定の実施形態では、音響反射体１４は、任意に基板１２の上に堆積した１／４波長のブラッグミラー（Ｂｒａｇｇ  ｍｉｒｒｏｒ）に具現化された、異なる音響インピーダンス値を有する材料（例えば、オキシ炭化ケイ素［ＳｉＯＣ］、窒化ケイ素［Ｓｉ３Ｎ４］、二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］、窒化アルミニウム［ＡｌＮ］、タングステン［Ｗ］およびモリブデン［Ｍｏ］）の薄膜層１６、１８を交互に重ねることを含む。特定の実施形態では、他の種類の音響反射体を用いてもよい。共振器装置１０の形成工程は、基板１２の上に音響反射体１４を堆積し、下側電極２０を堆積し、圧電材料２２を（例えば、スパッタ法または他の適切な方法によって）成長させ、上側電極２８を堆積するという工程を含んでいてもよい。
【００６５】
いくつかの実施形態では、圧電材料２２は、基板１２の面の法線に対して主に非平行である（および非垂直であってもよい）配向分布を有するｃ軸を含む六方晶構造の圧電材料（例えば、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛）を含む。適切な条件の下で、基板の面の法線に対して主に非平行である配向分布を有するｃ軸が存在することにより、ＢＡＷ共振器構造が、上側電極と下側電極とを横切る交流信号を印加すると支配的な剪断応答を示すように構成することを可能にする。
【００６６】
図１に示されるバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０は、生化学センサーとして使用することを共振器装置１０に許容する活性領域３０を覆う任意の層（例えば、機能化材料を含む）を欠く。所望であれば、図１に示す共振器装置１０の少なくとも一部（例えば、活性領域３０を含む）は、例えば、気密層、界面層、自己組織化単層（ＳＡＭ）、および／または機能化材料（例えば、特異的結合物質または非特異的結合物質を含み得る）のうちの１つ以上の様々な層で覆ってもよい。
【００６７】
図２は、圧電材料２２、および、気密層３２と、界面層３４と、自己組織化単層（ＳＡＭ）３６と、機能化（例えば特異的結合）材料３８とを覆う上側電極２８とを含むＢＡＷ  ＭＥＭＳ共振器装置の上部の概略断面図である。特定の実施形態では、１つ以上のブロッキング材料（図示せず）を、製造中に、例えば、１つ以上の後続の堆積層の局所的な付着を防止するために、または（ＳＡＭ３６または機能化材料３８の選択された領域上に適用される場合）、ＢＡＷ  ＭＥＭＳ共振器装置の活性領域３０を覆わない領域において分析物捕捉を防止するために、界面層３４の部分の上に適用してもよい。
【００６８】
特定の実施形態では、フォトリソグラフ法を用いてＭＥＭＳ共振器装置の複数の部分を覆っているインタフェース材またはブロッキング材のパターン形成を促進してもよい。フォトリソグラフ法は、幾何学パターンをフォトマスクから基板上にある感光性化学フォトレジストに転写するための光の使用を含み、半導体製造技術に関わる技術者によく知られている工程である。フォトリソグラフ法で用いられる典型的な工程は、ウェハーの洗浄、フォトレジスト（ポジ型またはネガ型のいずれか一方を含む）の適用、マスク位置合わせ、露光および現像を含む。所望の表面上のフォトレジストに特徴構造を画定した後、フォトレジスト層の１つ以上のギャップをエッチングして界面層をパターン形成してもよく、その後フォトレジスト層を除去してもよい（例えば、フォトレジスト除去液の使用によって、酸素含有プラズマの適用を介した灰化によって、またはその他の除去工程）。
【００６９】
特定の実施形態では、界面層（例えば、上側電極とＳＡＭとの間に配置可能）は有機シランＳＡＭの形成に適した水酸化酸化物表面を含む。水酸化酸化物表面を含む好ましい界面層の材料は二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］である。界面層を形成するための水酸化酸化物表面を含む代替材料として二酸化チタン［ＴｉＯ２］、五酸化タンタル［Ｔａ２Ｏ５］、酸化ハフニウム［ＨｆＯ２］、または酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］がある。水酸化酸化物表面を取り込むその他の代替材料は当業者には知られており、これらの代替材料は本開示の範囲内とみなされる。
【００７０】
他の実施形態では、界面層（例えば、上側電極とＳＡＭとの間に配置可能）または被覆する界面層を欠く少なくとも１つの電極は、機能化材料で覆われてもよいチオール系ＳＡＭを受けるのに適している、金または他の貴金属（例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、プラチナまたは銀）を含む。
【００７１】
腐食しやすい電極材料を含む特定の実施形態では、気密層を上側電極と界面層の間に適用することができる。上側電極に貴金属（例えば、金、プラチナ等）が用いられる場合は、気密層は不要となる可能性がある。気密層を設ける場合は、気密層は水蒸気透過率が小さい（例えば、０.１ｇ／ｍ２／日以下）誘電体を含むのが望ましい。気密層と界面層の堆積に続いて、特定の実施形態において有機シラン材料を含むＳＡＭを用いて、界面層を覆うようにＳＡＭを形成してもよい。気密層は、反応性電極材料（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）を腐食性液体環境での攻撃から保護し、界面層はＳＡＭとの適切な化学結合を促進する。
【００７２】
特定の実施形態では、気密層および／または界面層は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）などの１つ以上の堆積工程を経て適用してもよい。ピンホールがない層構造を提供するために、装置の特徴にわたって良好な工程適用範囲を有する優れたコンフォーマルコーティングを提供する能力があるので、上述の工程のうち、ＡＬＤは、少なくとも気密層の堆積に好ましい（界面層の堆積にも好ましい可能性がある）。さらに、ＡＬＤは、装置性能の低下につながりかねない音響振動の相対的な減衰をほとんど提供しない、均一な薄膜層を形成することが可能である。下方にある電極の腐食を防止するには、気密層（存在する場合）の十分な被覆性が重要である。ＡＬＤを用いて気密層の堆積を行う場合、特定の実施形態では気密層の厚さは約１０ｎｍ〜約２５ｎｍの範囲を含むことがある。特定の実施形態において、気密層の厚さは約１５ｎｍまたは約１２ｎｍ〜約１８ｎｍである。一方、化学蒸着などのもう１つの工程を用いると、気密層の厚さは約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍもしくはそれ以上または約８０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲を含む。上述の両方の工程を考慮すると、気密層の厚さは約５ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲でよい。ＡＬＤを用いて界面層の堆積を行う場合は、界面層の厚さは約５ｎｍ〜約１５ｎｍの範囲を含んでよい。特定の実施形態における界面層の厚さは約１０ｎｍまたは約８ｎｍ〜約１２ｎｍの範囲を含んでよい。その他の界面層の厚さの範囲および／またはＡＬＤ以外の堆積手法を特定の実施形態で用いてもよい。特定の実施形態では、気密層および界面層を真空環境で順番に適用し、それによって２つの層間のインタフェースの高品質化を促進する。
【００７３】
気密層を設ける場合、気密層は特定の実施形態で誘電体として機能し、水蒸気透過率が低い（例えば、０．１ｇ／ｍ２／日以下）酸化物、窒化物またはオキシ窒化物を含んでよい。特定の実施形態において、気密層は、酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］または窒化ケイ素［ＳｉＮ］の少なくとも１つを含む。特定の実施形態において、界面層はＳｉＯ２、ＴｉＯ２またはＴａ２Ｏ５の少なくとも１つを含む。特定の実施形態では、複数の材料は、単一の気密層において、結合されてもよく、および／または、気密層は、異なる材料の複数の下位層（sublayers）を含んでも良い。好ましくは、気密層は、音響共振器構造の下層にある反応性金属（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）電極構造との適合性を高めるように、さらに選択される。アルミニウムまたはアルミニウム合金はＢＡＷ共振器構造の電極材料としてよく用いられるが、このような電極には様々な遷移金属およびポスト遷移金属を用いることができる。
【００７４】
（任意に、下層の気密層の上に配置された）界面層の堆積に続いて、好ましくは界面層を覆うようにＳＡＭが形成される。ＳＡＭは、通常、固体表面を固体表面と強い親和性を示す化学基をもつ両親媒性分子に暴露することで形成される。水酸化酸化物表面を含む界面層を用いる際には、水酸化酸化物表面への付着のために、有機シランＳＡＭが特に好ましい。有機シランＳＡＭはケイ素−酸素（Ｓｉ−Ｏ）結合を介して表面結合を促進する。詳細には、有機シラン分子は、加水分解感受性基および有機基を含み、非有機材料を有機ポリマーに結合するのに有効である。有機シランＳＡＭは、微量の水の存在でヒドロキシル化酸化物表面を有機シラン材料に暴露することで形成され、中間的なシラノール基を形成してもよい。これらの基はヒドロキシル化酸化物表面で遊離ヒドロキシル基と反応し、共有結合によって有機シランを固定化する。水酸化酸化物表面を含む界面層と適合性がある使用可能な有機シラン系ＳＡＭの例は、３−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン（ＧＰＴＭＳ）、３−メルカプトプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）およびオクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）のほか、それらのエトキシ変異体およびクロロ変異体を含む。このほかＳＡＭに用いることができるシランとしてポリエチレングリコール（ＰＥＧ）共役変異体がある。当業者にはこの他にも代替材料が存在することが分かっている。これらの代替材料は本開示の範囲内とみなされる。典型的なＳＡＭの厚さは少なくとも０.５ｎｍまたはそれ以上の範囲を含んでもよい。好ましくは、ＳＡＭは局所的にパターン形成された界面層に容易に結合するが、その他の隣接する材料層（例えば、気密層、圧電材料および／またはブロッキング材料層）には容易に結合しない。
【００７５】
金または他の貴金属を含む電極および／または界面層を用いる際には、チオール系（例えば、アルカンチオール系）のＳＡＭを用いることができる。アルカンチオール類は、Ｓ−Ｈ頭部基、末端基、およびアルキル鎖を有する骨格を有する分子である。これらの金属は硫黄に対し強い親和性をもつため、チオール類は、貴金属界面層上で用いられてもよい。用いることができるチオール系ＳＡＭの例として、１−ドデカンチオール（ＤＤＴ）、１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）およびヒドロキシル基末端（ヘキサエチレングリコール）ウンデカンチオール（１−ＵＤＴ）がある。これらのチオール類は同じ主鎖を含むが末端基が異なる。すなわち、ＤＤＴ、ＭＵＡおよび１−ＵＤＴに対してはそれぞれ、メチル基（ＣＨ３）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）およびヒドロキシル基末端ヘキサエチレングリコール（ＨＯ−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）６）である。特定の実施形態では、無水エタノールなど適切な溶剤を用いてチオール溶液内で金表面をインキュベートすることによってＳＡＭを形成してもよい。
【００７６】
ＳＡＭの形成に続いて、ＳＡＭは、機能化材料（例えば、特異的結合材料）を受けることなどによって、生物学的に機能化されてもよい。特定の実施形態では、特異的結合材料をマイクロアレイスポット針または他の好適な方法を用いてＳＡＭ上またはＳＡＭを覆うように適用してもよい。特定の実施形態では、（基板を含む）ＢＡＷ共振器構造の一部のみに対して高い寸法許容で、界面層を（例えば、フォトリソグラフィマスキングおよび界面層を画定するための選択的エッチングを用いて）パターニングしてもよく、ＳＡＭは界面層の上に適用されてもよく、続いて、適用された特異的結合材料はＳＡＭにのみ付着されてもよい。特定の実施形態では、界面層のパターン形成は、特異的結合材料を配置するため、マイクロアレイスポット単独で達成できる寸法許容度よりも、より高い寸法許容度を提供してもよい。特異的結合材料の例として抗体、受容体、リガンド等があるが、これらに限定されない。特異的結合材料はあらかじめ決定された標的種（例えば、分子、たんぱく質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）を受け入れるよう構成するのが好ましい。特異的結合材料を含む機能化材料の厚さの範囲は約５ｎｍ〜約１０００ｎｍまたは約５ｎｍ〜約５００ｎｍであってもよい。特定の実施形態では、異なる特異的結合材料のアレイを複数の共振器構造の異なる活性領域（すなわち、複数の活性領域を含む１つ以上の共振器構造）の上に設けてもよく、任意に、特異的結合材料が含まれない１つ以上の活性領域を比較領域（すなわち「参照」領域）として上記活性領域と組み合わせてもよい。特定の実施形態では、機能化（例えば、生体機能化）材料は非特異的な結合機能を提供してよい。
【００７７】
いくつかの実施形態は、本明細書に開示されるような複数のバルク音波（ＢＡＷ）ＭＥＭＳ共振器構造を含み、ＢＡＷ  ＭＥＭＳ共振器構造の少なくとも一つの活性領域上に配置された機能化（例えば、特異的結合）材料に接触するよう液体を導入するために配置された流体通路（例えば、チャネル、チャンバなど）を含む流体装置を対象とする。このような装置は、スケールがマイクロ流体であってもよく、少なくとも１つのマイクロ流体通路（例えば、高さおよび／または幅などの少なくとも１つの寸法が、約５００ミクロン、または約２５０ミクロン、または約１００ミクロン以下を有する）を含んでもよい。例えば、バルク音波ＭＥＭＳ共振器構造の製造およびＳＡＭの一部の上へのＳＡＭの堆積（必要に応じて、気密層および界面層の堆積が先行して行われる）に続いて、マイクロ流体装置は、マイクロ流体通路の底面に沿って配置された活性領域を有する第１のバルク音波ＭＥＭＳ共振器構造上にマイクロ流体通路を画定する１つ以上の壁を形成し、次いで、マイクロ流体通路と流体連通を可能にする流体ポート（例えば、開口部）を画定し得るカバー層またはキャップ層を用いて、マイクロ流体通路を囲むことによって、製造してもよい。特定の実施形態では、機能化（例えば、特異的結合）材料は、マイクロ流体通路の形成前に、バルク音波ＭＥＭＳ共振器構造の活性領域に予め適用されてもよい。他の実施形態では、機能化材料は、マイクロ流体通路の形成に続いて、バルク音波共振器構造の活性領域上に適用されてもよい。
【００７８】
微小流体通路の壁は、任意に１つ以上の自己接着性表面（例えば、接着テープ）を含む、薄いポリマー材料および／またはラミネートのレーザーカット「ステンシル」層のような任意の適切な材料で形成することができる。ＳＵ−８ネガティブエポキシレジストまたは他のフォトレジスト材料を用いて、ＳＡＭ、機能化材料、および／またはブロッキング層の堆積の前に、任意にこのような壁を形成してもよい。特定の実施形態では、カバー層またはキャップ層は、少なくとも１つの流体通路の上部境界ならびに側方境界の一部を画定するために、（例えば、成形または他の適切なプロセスを介して）１つ以上の壁と一体的に形成されてもよく、バルク音波共振器構造の少なくとも一部の上に一体的に形成された部分的なカバー／壁構造を適用して（例えば、接着または他の方法で結合して）、少なくとも１つの流体通路を取り囲んでもよい。
【００７９】
特定の実施形態では、化学的または生物学的ブロッキング材をＳＡＭの一部の上に適用し、機能化材料（例えば、特異的結合材料）がＢＡＷ共振器構造の１つ以上選択された領域（例えば、活性領域から離れた１つ以上の領域）に付着するのを防止してもよい。所与の分析のための、化学的または生物学的ブロッキング材（例えば、ブロッキングバッファー）の適切な選択は、サンプル内に存在する標的種または分析物の種類に依存する。高度精製たんぱく質、血清または乳などの、様々な種類のブロッキングバッファーが、ＳＡＭ上の空き領域をブロッキングするために使用されてもよい。追加のブロッカーは、エタノールアミンまたは酸化ポリエチレン（ＰＥＯ）を含む材料を含む。理想的なブロッキングバッファーは、活性領域から離れた場所にある非特異的な相互作用を起こす可能性があるすべての領域に結合するであろう。特定の分析のためにブロッキングバッファーを最適化するには経験的な検証により信号対ノイズ比を決定すればよい。抗体と抗原の各対は固有の特性をもつため、化学的ブロッキング材料または生物的ブロッキング材料がすべての状況に理想的ではない。
【００８０】
図３Ａは概略平面図を示し、図３Ｂは、本開示のその後に記載される実施形態の文脈を提供することを意図した第１の比較装置を具体化する、任意の吸収体領域がない流体装置６０（例えば生化学センサー装置）の少なくとも一部の概略断面図を提供する。流体装置６０は、上流セグメント５２Ａ、狭幅中間セグメント５２Ｂ、および下流セグメント５２Ｃから構成される流体通路５２を含む。流体通路５２は、性領域３０を含むバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造によって下から画定され、壁構造４４によって横方向に画定され、そして第１の流体ポート４８（例えば、流体入口ポート）と第２の流体ポート５０（例えば、流体出口ポート）とを画定するカバー構造４６（それはカバー層またはキャップ層で具体化されてもよい）によって上方から画定される。流体通路５２の中間セグメント５２Ｂは、活性領域３０を含む。第１および第２の肩部領域５６、５８は、内側に突出した側壁部分のそれぞれ上流側および下流側に配置され、（ｉ）上流側セグメント５２Ａと中間部との間、および（ｉｉ）中間セグメント５２Ｂと下流セグメント５２Ｃとの間のそれぞれの移行部を画定する。
【００８１】
流体装置６０は、音響反射体１４で覆われた基板１２と、圧電材料２２のほぼ下に配置された下側電極２０とを含む。上側電極２８が圧電材料２２の一部の上に延在し、ここで上側電極２８と下側電極２０との間に配置された圧電材料２２の一部は、ＢＡＷ共振器構造の活性領域３０を具体化する。下側電極２０は、圧電材料２２の下面２４の一部に沿って配置されている。上側電極２８および圧電材料２２は、界面層３４および自己組織化単層（ＳＡＭ）３６が堆積されている。特定の実施形態において、界面層３４の下に気密層（図示せず）を配置してもよい。（例えば、活性領域３０と壁構造４４との間に横方向に配置されている）活性領域３０と一致しないＳＡＭ３６の部分は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われ、機能化材料および／または分析物の局在化付着を防止する。活性領域３０で示されたＳＡＭ３６の一部は、機能化された活性領域を生成するために、少なくとも１つの分析物に結合するように構成された機能化（例えば、特異的結合）材料３８の層で覆われる。活性領域３０は、第１の流体ポート４８と第２の流体ポート５０との間の位置で流体通路５２に近接して（すなわち、下方に）配置される。活性領域３０のサイズは、対応するＢＡＷ共振器構造の意図された動作周波数によって少なくとも部分的に決定される。活性領域３０は、流体通路５２内の意図された流れ方向に平行な長い寸法を有するように配向された主に楕円形状を有するものとして示されているが、ある実施形態では、活性領域３０は、流体経路５２内の流体の意図された流れの方向を横切る長い寸法を有する円形または楕円形などの任意の適切な形状および／または配向で提供されてもよい。
【００８２】
壁構造４４の壁は、活性領域３０から横方向に移動され、ＳＡＭ３６から上方に延びて、流体通路５２の側方境界を定める。壁構造４４は、レーザーカットの「ステンシル」層の薄膜ポリマー材料および／またはラミネート材料などの任意の適切な材料から形成されてもよく、任意に1以上の自己接着表面（例えば、接着テープ）を含む。任意に、壁構造４４は、ＳＵ−８ネガティブエポキシレジストまたは他のフォトレジスト材料でＳＡＭ３６、機能化材料３８、および化学的または生物学的ブロッキング材料５４を堆積する前に形成されてもよい。カバー構造４６は、流体通路５２の上部境界として機能する。カバー構造４６は、適切な材料（例えば、実質的に不活性なポリマー、ガラス、シリコン、セラミックなど）の層に第１および第２の流体ポート４８、５０を（例えば、レーザー切断またはウォータージェット切断を介して）画定し、そしてカバー構造４６を壁構造４４の上面に接着させることによって形成されてもよい。
【００８３】
図４Ａは概略的な平面図を示し、図４Ｂは、動作中の図３Ａおよび３Ｂの流体装置６０の少なくとも一部の概略的な断面図を提供する。流体体積４０（例えば、流体サンプル）は、第１の流体ポート４８を通って流体通路５２の上流セグメント５２Ａに供給され、次いで、中間領域５２Ｂを介して活性領域３０の上を通って流れ、その後、下流セグメント５２Ｃを通って第２の流体ポート５０に流れ、流体通路５２を出る。図４Ｂに示すように、流体体積４０中の分析物４２は、機能化材料３８が飽和される（すなわち、機能化材料３８のすべての結合部位が分析物４２で占有されている）まで、活性領域３０を覆う機能化材料３８に結合される。主要な剪断成分を有するバルク音波が、所望の周波数の電気的（例えば、交流）信号を下側電極２０および上側電極２８に供給することによって活性領域３０に誘導されると、ＢＡＷ共振器構造の電気音響応答の変化（例えば、振幅−規模（amplitude-magnitude）特性、周波数特性、または位相特性の少なくとも１つ）を検出して、機能化材料３８に結合した分析物４２の存在および／または量を示すことができる。しかしながら、飽和状態のために、ＢＡＷ共振器構造の電気音響応答は、流体装置６０が、より大きい分析物濃度を検出するのに十分な動的測定範囲を欠くので、流体体積４０内の分析物４２の真の濃度を正確に反映しない場合がある。
【００８４】
文脈を提供するために図３Ａ〜図４Ｂの流体装置６０について説明したが、ここで、動的測定範囲を増加させるために流体通路内を流れる流体と相互作用するように構成された１つ以上の機能化された吸収体を含む流体装置について説明する。
【００８５】
図５Ａは概略上面図であり、図５Ｂは、図３Ａ〜図４Ｂに示す装置６０と同様の流体装置６６の少なくとも一部の概略断面図であるが、吸収体領域６２を形成する追加の機能化材料６４を有する。流体装置６６は、上流セグメント５２Ａと、狭幅中間セグメント５２Ｂと、下流セグメント５２Ｃとからなる流体通路５２を含む。第１および第２の肩部領域５６，５８は、内側に突出する側壁部分のそれぞれ上流側および下流側に配置され、（ｉ）上流セグメント５２Ａと中間セグメント５２Ｂとの間と、（ｉｉ）中間セグメント５２Ｂと下流側セグメント５２Ｃとの間のそれぞれの移行部を画定する。流体通路５２は、活性領域３０を含むバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造を含むベース構造によって下から境界が定められ、壁構造４４によって横方向に境界が定められ、カバー構造４６によって上から境界を定められている（これは、カバーまたはキャップ層内に具現化されてもよい）。流体通路５２の中間セグメント５２Ｂは、活性領域３０を含み、吸収体領域６２の追加の機能化材料６４は、上流セグメント５２Ａおよび中間セグメント５２Ｂの部分内に延びる。第１の流体ポート４８から流体通路５２を通って第２の流体ポート５０に導かれ得る流体の流れに対して、吸収体領域６２は、活性領域３０の上流に配置され（図５Ａに示されるように）吸収体領域６２は、活性領域３０を覆う機能化材料３８の対応する領域よりも２倍以上大きい、流体通路５２に露出する領域を含む。
【００８６】
ＢＡＷ共振器構造は、音響反射体１４で覆われた基板１２と、圧電材料２２の概して下に配置された下側電極２０とを含む。下側電極２０は、圧電材料の下面２４の一部に沿って配置される。上側電極２８は、圧電材料２２の一部の上に延在し、ここで上側電極２８と下側電極２０との間に配置された圧電材料２２の部分は、ＢＡＷ共振器構造の活性領域３０を具体化する。上側電極２８および圧電材料２２上には、界面層３４およびＳＡＭ３６が設けられている。特定の実施形態では、界面層３４の下に気密層（図示せず）を配置することができる。活性領域３０で示された（registered with）ＳＡＭ３６の一部は、少なくとも１つの分析物に結合するように構成された機能化（例えば、特異的結合）材料３８の層で覆われている。活性領域３０の上流であり、かつ、活性領域３０と一致しないＳＡＭ３６の別の部分は、活性領域３０に対して上流方向において、横に変位する吸収体領域６２を画定する追加の機能化材料６４を含む。図５Ｂに示すように、化学的または生物学的ブロッキング材料５４は、活性領域３０を覆う機能化材料３８と一致せず、かつ、吸収体領域６２の追加の機能化材料６４と一致しないＳＡＭ３６の残りの部分の上に配置される。構造４４は、活性領域３０および吸収体領域６２から横方向に変位し、界面層３４から上方に延びて流体通路５２の側方境界を定める壁を含む。特定の実施形態では、化学的または生物学的ブロッキング材料５４、機能化材料３８および追加の機能化材料６４は、壁構造４４をベース構造上に追加する前に、および／または壁構造４４上にカバー構造４６を追加する前に、ベース構造の一部に堆積させてもよい。
【００８７】
図６Ａは概略平面図を示し、図６Ｂは動作中の図５Ａおよび図５Ｂの流体装置６６の少なくとも一部の概略的な断面図を提供する。流体体積４０（例えば、流体サンプル）は、第１の流体ポート４８を介して流体通路５２の上流セグメント５２Ａに供給され、上流セグメント５２Ａおよび中間セグメント５２Ｂにまたがる吸収体領域６２上を超え、その後領域３０を超え、そして第２の流体ポート５０へ下流セグメント５２Ｃに流れ、流体通路５２を出る。図６Ｂに示すように、流体体積４０からの分析物４２は、吸収体領域６２の追加の機能化材料６４に結合され、活性領域３０を覆う機能化材料３８にさらに結合するが、すべての結合部位よりも少ない部位がそれぞれの場合において分析物４２で占有されるので、追加の機能化材料６４も機能化材料３８も飽和していない。支配的な剪断成分を有するバルク音波が、所望の周波数の電気的（例えば、交流）信号を下側電極２０および上側電極２８に供給することによって活性領域３０において誘導されると、ＢＡＷ共振器構造の電気音響応答（例えば、振幅−規模特性、周波数特性、または位相特性の少なくとも１つ、例えば共鳴周波数のシフト）の変化を検出して、機能化材料３８に結合した分析物４２の存在および／または量を示すことができる。活性領域３０の上にある機能化材料３８の上流の追加的な機能化材料６４を伴う吸収体領域６２の存在は、そうでなければ吸収体領域６２が省略されている場合に活性領域３０を覆っている機能化材料３８の飽和をもたらすであろう流体体積４０からの分析物４２の一部を結合するよう機能する。これに関して、吸収体領域６２は、活性領域３０の上にある機能化材料３８の飽和の可能性を低減することによって、流体装置６６の動的測定範囲を増加させる働きをする。
【００８８】
特定の実施形態では、複数の吸収体領域は、１つまたは複数のＢＡＷ共振器構造を組み込んだ流体装置に設けられてもよく、および／または、１つまたは複数の吸収体領域は、一つまたは複数のＢＡＷ共振器構造を組み込んだ流体装置のベース構造以外の表面に、配置されてもよい。
【００８９】
図７Ａは、概略上面図であり、図７Ｂは、ベース構造、壁構造４４およびカバー構造４６（例えば、カバーまたはキャップ層）をそれぞれ伴う、複数の吸収体領域６２、７０、７４を含む流体装置７６の少なくとも一部の概略断面図である。流体装置７６は、ベース構造によって下から境界付けられた流体通路５２を含み、ＢＡＷ共振器構造を組み込んでいる。流体通路５２はまた、壁構造４４によって横方向に境界付けられ、カバー構造４６によって上から境界が定められ、それが第１および第２の流体ポート４８、５０を画定する。流体通路５２は、上流セグメント５２Ａ、狭い幅の中間セグメント５２Ｂ（活性領域３０を含む）、および下流セグメント５２Ｃとを含む。第１および第２の肩部領域５６、５８は、内側に突出する側壁部分の上流側および下流側それぞれに配置され、（ｉ）上流セグメント５２Ａと中間セグメント５２Ｂとの間の移行部と、（ｉｉ）中間セグメント５２Ｂと下流側セグメント５２Ｃの間の移行部をそれぞれ画定する。
【００９０】
ＢＡＷ共振器構造は、音響反射体１４で覆われた基板１２と、圧電材料２２のほぼ下に配置された下側電極２０とを含む。下側電極２０は、圧電材料２２の下面２４の一部に沿って配置される。上側電極２８は、圧電材料２２の一部の上に延在し、上側電極２８と下側電極２０との間に配置された圧電材料２２の部分は、ＢＡＷ共振器構造の活性領域３０を具体化する。界面層３４および第１のＳＡＭ３６が、上側電極２８および圧電材料２２の上に設けられている。活性領域３０で示された第１のＳＡＭ３６の一部は、機能化（例えば、特異的結合）材料３８の層で覆われ、流体通路５２内の流体体積４０由来の少なくとも一つの分析物に結合するよう配置された機能的材料３８とともに、（機能化された）活性領域３０を生じる。活性化領域３０の上流に配置された第１のＳＡＭ３６の別の部分は、追加的な機能化材料６４で覆われ、ベース構造に関連する第１の吸収体領域６２を形成する。活性領域３０と不一致であり且つ第１の吸収体領域６２と不一致である第１のＳＡＭ３６の部分は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われて、機能化材料および／または分析物の局部的な付着を防止する。
【００９１】
図７Ａに関し、流体通路５２の上流セグメント５２Ａにおける壁構造４４の側部は、（機能化材料および／または分析物の局所的な付着を防止するための）化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われている第２のＳＡＭ６８の一部と、追加の機能化材料６４で覆われている第２のＳＡＭ６８の別の部分とを有する第２のＳＡＭ６８を含み、第２の吸収体領域７０を形成する。図７Ｂに関し、カバー構造４６の下面は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われている第３のＳＡＭ７２の一部と、追加の機能化材料６４で覆われている第３のＳＡＭ７２の別の部分とを有する、第３のＳＡＭ７２で覆われて、第３の吸収体領域７４を形成する。各吸収体領域６２、７０、７４は、活性領域３０の上流に配置されている。特定の実施形態では、各吸収体領域６２、７０、７４は、同じ組成、濃度、および／または量の追加の機能化材料６４を含む。他の実施形態では、上記のうちの１つ以上が異なってもよい。特定の実施形態では、各吸収体領域６２、７０、７４は、活性領域３０の機能化材料３８と同じ組成および／または濃度を有する追加の機能化材料６４を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数の吸収体領域６２、７０、７４は、活性領域３０の機能化材料３８とは異なる組成および／または濃度を有する追加の機能化材料６４を含むことができる。
【００９２】
特定の実施形態では、１つまたは複数の吸収体領域は非特異的結合材料を含んでもよく、一方で１つまたは複数の機能化された活性領域は特異的結合材料を含んでもよい。特定の実施形態では、吸収体領域および機能化活性領域は（例えば、同じ組成物または異なる組成の）特異的結合材料をすべて含んでもよい、または（例えば、同じ組成物または異なる組成の）非特異的結合材料をすべて含んでもよい。
【００９３】
流体装置７６の動作において、流体体積４０（例えば、流体サンプル）は、第１の流体ポート４８を通って、流体通路５２の上流セグメント５２Ａに供給され、上流セグメント５２Ａおよび中間セグメント５２Ｂに跨る吸収体領域６２、７０、７４上を超え、次に活性領域３０上を超え、次いで第２の流体ポート５０へ下流セグメント５２Ｃに流れ込み、流体通路５２を出る。流体体積４０からの分析物（図示せず）は、吸収体領域６２、７０、７４の追加の機能化材料６４に結合されてもよく、活性領域３０を覆う機能化材料３８にさらに結合されてもよい。活性領域３０を覆う機能化材料３８の飽和は、吸収体領域６２、７０、７４が分析物で飽和された後まで、遅延されるべきである。これに関して、吸収体領域６２、７０、７４は、活性領域３０の上にある機能化材料３８の飽和の可能性を低減することによって、流体装置７６の動的測定範囲を増加させる働きをする。支配的剪断成分を有するバルク音波が、所望の周波数の電気（例えば、交流）信号を下側電極２０および上側電極２８に供給することによって活性領域３０に誘導される場合、ＢＡＷ共振器構造の電気音響応答の変化（例えば、振幅−規模特性、周波数特性、または位相特性、例えば共振周波数のシフト）を検出して、機能化材料３８に結合した分析物の存在および／または量を示すことができる。
【００９４】
特定の実施形態では、複数の吸収体領域および複数の活性領域が、吸収体領域および機能化された活性領域の交互配置によって、連続して配置されてもよい。
【００９５】
図８は、流体体積（例えば流体サンプル）中に存在する分析物と相互作用するのに使用可能な吸収体領域と機能化された活性領域とを交互に配置して、流体通路内に順次配置された機能化材料を含む、１０個の機能化された活性領域と１０個の吸収体領域とを有する１０個のＢＡＷ共振器構造を組み込んだ流体装置（以下、図９および図１０Ａ〜図１０Ｅに関連して説明する）の観察された濃度および実際の濃度  対  位置のプロットである。３つの異なるラインタイプ（すなわち、破線は実際の分析物濃度に対応し、実線は観察された分析物濃度に対応し、そして点線はセンサー飽和条件に対応する）が示されている。流体装置の最初の５つの活性領域に対応する図８の左半分において、最初の５つの活性領域の機能化材料は完全に分析物で飽和しているため、観察された分析物濃度（実線で表される）は実際の分析物濃度よりも低い。流体装置の第２の５つの活性領域に対応する図８の右半分において、観察された分析物濃度は、実際の分析物濃度に対応する。なぜなら、実際の濃度は、活性領域に関連する機能化材料の飽和に対して閾値（水平の点線で示される）以下である。流体体積中の実際の分析物濃度の一般的な低下傾向は、流体体積がそのような領域を含む流体通路を通って流れるときに、活性領域および吸収体領域の機能化材料への分析物の結合に起因する。従って、図８は、散在した吸収体領域を有する複数の連続的に配置された機能化された活性領域の利用は、全ての機能化された活性領域が所与の分析物濃度に対して飽和される可能性を低減することによって、ＢＡＷ共振器ベースの流体検出装置の動的測定範囲を、有利に増加させ得ることを示している。
【００９６】
図９は、流体体積４０を受けるよう配置された流体通路５２内に連続的に配置された１０個の機能化された活性領域３０Ａ〜３０Ｊおよび１０個の吸収体領域６２Ａ〜６２Ｊ（それぞれが機能化材料を含む）を有する１０個のＢＡＷ共振器構造を組み込んだ流体装置７８の少なくとも一部の概略断面図であり、交互に配置した吸収体領域６２Ａ〜６２Ｊと機能化された活性領域３０Ａ〜３０Ｊを備え、分析物で飽和している、最初の５個の吸収体領域６２Ａ〜６２Ｅおよび機能化された活性領域３０Ａ〜３０Ｅを備え、そして、結合分析物の量の低下を含む二番目の５個の吸収体領域６２Ｆ−６２Ｊおよび機能化された活性領域３０Ｆ−３０Ｊを備えている。流体装置７８は、基板１２と、基板１２上に配置された音響反射体１４と、圧電材料２２と、壁構造４４と、第１および第２の流体ポート４８、５０を画定するカバー構造４６とを含む。図９の特定の特徴は、小さすぎて明らかに見えないので、図１０Ａ〜１０Ｅは、図９の流体装置７８の一部の拡大概略断面図を提供すし、そのような部分は、図９の点線部分と、（１０Ａ）〜（１０Ｅ）としてそれぞれ標識されたもの間に示されている。
【００９７】
図１０Ａは、図９の流体装置７８の第１の部分の拡大概略断面図であり、第１および第２の吸収体領域６２Ａ、６２Ｂおよび活性領域３０Ａ、３０Ｂならびに壁構造４４の左側部分およびカバー構造４６内に画定された第１の流体ポート４８を含む。下側電極２０Ａ、２０Ｂ、および上側電極２８Ａ、２８Ｂは、圧電材料２２の下方および上方にそれぞれ配置されており、活性領域３０Ａ、３０Ｂを形成する電極２０Ａ、２０Ｂ、２８Ａ、２８Ｂの重複領域の間に圧電材料２２が配置された領域を有する。上側電極２８Ａ、２８Ｂおよび圧電材料２２は、界面層３４および自己組織化単層（ＳＡＭ）３６で覆われている。活性領域３０Ａ、３０Ｂで示されたＳＡＭ３６の一部は、機能化（例えば、特異的結合）材料３８の層で覆われて、機能化された活性領域３０Ａ、３０Ｂを生成し、流体通路５２内の流体体積４０由来の少なくとも一つの分析物４２に結合するよう配置された機能化材料３８を備える。各活性領域３０Ａ、３０Ｂの上流に配置されたＳＡＭ３６の更なる部分は、追加の機能化材料６４で覆われて、吸収体領域６２Ａ，６２Ｂを形成する。活性領域３０Ａ、３０Ｂと不一致であり、吸収体領域６２Ａ、６２Ｂと不一致であるＳＡＭ３６のさらに別の部分は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われ、機能化材料および／または分析物の局部的な付着を防止する。
【００９８】
図１０Ｂは、図９の流体装置７８の第２の部分の拡大概略断面図であり、第３および第４の吸収体領域６２Ｃ、６２Ｄおよび活性領域３０Ｃ、３０Ｄを含む。下側電極２０Ｃ、２０Ｄおよび上側電極２８Ｃ、２８Ｄは、圧電材料２２の下側および上側にそれぞれ配置されており、圧電材料２２が電極２０Ｃ、２０Ｄ、２８Ｃ、２８Ｄの重複領域の間に配置され、活性領域を形成する領域を有する。上側電極２８Ｃ、２８Ｄおよび圧電材料２２は、界面層３４および自己組織化単層（ＳＡＭ）３６で覆われている。活性領域３０Ｃ、３０Ｄで示されるＳＡＭ３６の一部は、機能化（例えば、特異的結合）材料３８の層で覆われて、機能化された活性領域３０Ｃ，３０Ｄを生じ、流体通路５２内の流体体積４０由来の少なくとも１つの分析物４２に結合するように構成された機能化材料３８を有する。各活性領域３０Ｃ、３０Ｄの上流に配置されたＳＡＭ３６のさらなる部分は、追加の機能化材料６４で覆われて、吸収体領域６２Ｃ、６２Ｄを形成する。活性領域３０Ｃ、３０Ｄと不一致であり、吸収体領域６２Ｃ、６２Ｄと不一致のＳＡＭ３６のさらに別の部分は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われており、機能化材料および／または分析物の局部的な付着を防ぐ。
【００９９】
図１０Ｃは、図９の流体装置７８の第３の部分の拡大概略断面図であり、第５および第６の吸収体領域６２Ｅ、６２Ｆおよび活性領域３０Ｅ、３０Ｆを含む。下側電極２０Ｅ、２０Ｆおよび上側電極２８Ｅは、圧電材料２２の下側および上側にそれぞれ配置されており、圧電材料２２が、電極２０Ｅ、２０Ｆ、２８Ｅ、２８Ｆの重複領域の間に配置され、活性領域３０Ｅ、３０Ｆを形成する領域を有する。上側電極２８Ｅ、２８Ｆおよび圧電材料２２は、界面層３４および自己組織化単層（ＳＡＭ）３６で覆われている。活性領域３０Ｅ、３０Ｆで示されるＳＡＭ３６の一部は、機能化（例えば、特異的結合）材料３８で覆われて、活性領域３０Ｅ、３０Ｆを生成し、流体通路５２内の流体体積４０由来の少なくとも１つの分析物４２に結合するように配置された機能化材料３８を有する。各活性領域３０Ｅ、３０Ｆの上流に配置されたＳＭＡ３６のさらなる部分は、追加の機能化材料６４で覆われて、吸収体領域６２Ｅ、６２Ｆを形成する。活性領域３０Ｅ、３０Ｆと不一致であり、吸収体領域６２Ｅ、６２Ｆと不一致のＳＡＭ３６のさらに別の部分は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われ、機能化材料および／または分析物の局部的な付着を防止する。
【０１００】
図１０Ｄは、図９の流体装置７８の第４の部分の拡大概略断面図であり、第７および第８の吸収体領域６２Ｇ、６２Ｈと、活性領域３０Ｇ、３０Ｈとを含む。下側電極２０Ｇ、２０Ｈおよび上側電極２８Ｇ、２８Ｈは圧電材料２２の下側および上側にそれぞれ配置されており、圧電材料２２が電極２０Ｇ、２０Ｈ、２８Ｇ、２８Ｈの重なり部分の間に配置され、活性領域３０Ｇ、３０Ｈを形成する領域を有する。上側電極２８Ｇ、２８Ｈおよび圧電材料２２は、界面層３４および自己組織化単層（ＳＡＭ）３６で覆われている。活性領域３０Ｇ、３０Ｈで示されるＳＡＭ３６の一部は、機能化（例えば、特異的結合）材料３８で覆われて、活性領域３０Ｇ、３０Ｈを生成し、流体通路５２内の流体体積４０由来の少なくとも１つの分析物４２に結合するように配置された機能化材料３８を有する。各活性領域３０Ｇ、３０Ｈの上流に配置されたＳＭＡ３６のさらなる部分は、追加の機能化材料６４で覆われて、吸収体領域６２Ｇ、６２Ｈを形成する。活性領域３０Ｇ、３０Ｈと不一致であり、吸収体領域６２Ｇ、６２Ｈと不一致のＳＡＭ３６のさらに別の部分は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われ、機能化材料および／または分析物の局部的な付着を防止する。
【０１０１】
図１０Ｅは、図９の流体装置７８の第５の部分の拡大概略断面図であり、第９および第１０の吸収体領域６２Ｉ、６２Ｊと、活性領域３０Ｉ、３０Ｊならびに壁構造４４の右部分、およびカバー構造４６において画定された第２の流体ポート５０とを含む。下側電極２０Ｉ、２０Ｊおよび上側電極２８Ｉ、２８Ｊは圧電材料２２の下側および上側にそれぞれ配置されており、圧電材料２２が電極２０Ｉ、２０Ｊ、２８Ｉ、２８Ｊの重なり部分の間に配置され、活性領域３０Ｉ、３０Ｊを形成する領域を有する。上側電極２８Ｉ、２８Ｊおよび圧電材料２２は、界面層３４および自己組織化単層（ＳＡＭ）３６で覆われている。活性領域３０Ｉ、３０Ｊで示されるＳＡＭ３６の一部は、機能化（例えば、特異的結合）材料３８で覆われて、活性領域３０Ｉ、３０Ｊを生成し、流体通路５２内の流体体積４０由来の少なくとも１つの分析物４２に結合するように配置された機能化材料３８を有する。各活性領域３０Ｉ、３０Ｊの上流に配置されたＳＭＡ３６のさらなる部分は、追加の機能化材料６４で覆われて、吸収体領域６２Ｉ、６２Ｊを形成する。活性領域３０Ｉ、３０Ｊと不一致であり、吸収体領域６２Ｉ、６２Ｊと不一致のＳＡＭ３６のさらに別の部分は、化学的または生物学的ブロッキング材料５４で覆われ、機能化材料および／または分析物の局部的な付着を防止する。
【０１０２】
図９および図１０Ａ−１０Ｅに関し、流体装置７８の動作中に、分析物を含む流体体積４０が流体通路５２に供給され、支配的な剪断成分を有するバルク音波が、所望の周波数の電気的（例えば、交流）信号を下方および上側電極２０Ａ〜２０Ｊ、２８Ａ〜２０Ｊの各対に供給することによって、各活性領域３０Ａ〜３０Ｊにおいて誘導される。各活性領域３０Ａ〜３０ＪのＢＡＷ共振器構造の電気音響応答（例えば、振幅−規模特性、周波数特性、または位相特性の少なくとも１つ、例えば共振周波数のシフト）の変化が検出され、各活性領域３０Ａ〜３０Ｊの機能化材料３８に結合した分析物４２の存在および／または量を示す。図９および図１０Ａ〜図１０Ｅに示すように、流体体積４０が比較的高濃度の分析物を含む場合、最初の５つの吸収体６２Ａ〜６２Ｅおよび最初の５つの活性領域３０Ａ〜３０Ｅそれぞれの機能化材料３８、６４は、（機能化材料３８、６４の全ての結合部位が分析物４２で占有されるように）それに結合した分析物４２で飽和されるようになる。この状態のために、最初の５つの活性領域３０Ａ〜３０Ｅに結合した分析物４２の観察された濃度は、図８の左半分に示すように、流体体積４０の分析物の実際の濃度よりも低い。しかしながら、機能化材料３８、６４を含む複数の吸収体領域６２Ａ〜６２Ｊおよび活性領域３０Ａ〜３０Ｊの存在が、流体体積４０から分析物４２を枯渇させ、第２の５つの活性領域３０Ｆ〜３０Ｊおよび吸収体領域６２Ｆ〜６２Ｊは低下した量の結合した分析物４２を有し、分析物４２で飽和されない。結果として、第２の５つの活性領域３０Ｆ〜３０Ｊから実際の分析物濃度に対応する信号を得ることができる。したがって、複数の吸収体領域６２Ａ〜６２Ｊおよび活性領域３０Ａ〜３０Ｊの交互の連続配置は、全ての単一活性領域３０Ａ〜３０Ｊに関連する機能化材料３８が所与の分析物濃度を有する流体体積４０に対して完全に飽和される可能性を低減することによって、流体装置７８の動的測定範囲を増加させる。
【０１０３】
１０個の活性領域３０Ａ〜３０Ｊと１０個の吸収体６２Ａ〜６２Ｊが図９および図１０Ａ〜図１０Ｅに示されたが、任意の適切な数の活性領域および吸収体領域が設けられてもよく、吸収体の数は活性領域の数と同じであってもなくてもよいことが理解されるべきである。特定の実施形態では、単一の流体通路内の流体体積に曝される１つまたは複数の吸収体領域の凝集領域は、同じ流体通路内の流体体積に曝される１つまたは複数の活性領域の凝集領域を超えてもよい。
【０１０４】
図１１Ａは、活性領域３０を含む薄膜バルク音波共振器（ＦＢＡＲ）構造８０の概略断面図であり、活性領域３０の少なくとも一部は、機能化（例えば、特異的結合または非特異的結合）材料を受け取るのに適した界面層および自己組織化単層（ＳＡＭ）で覆われることに供されて、一実施態様の少なくとも１つの機能化された吸収体領域（図示せず）および少なくとも一つの機能化された吸収体領域（図示せず）を形成する。ＦＢＡＲ構造８０は、支持層８６（例えば、二酸化シリコン）によって任意に覆われたキャビティ８４を画定する基板８２（例えば、シリコンまたは他の半導体材料）を含む。下側電極２０は、支持層８６の一部の上に配置され、好ましくは傾斜ｃ軸六方晶構造圧電材料（例えば、ＡｌＮまたはＺｎＯ）を具体化する圧電材料２２が下側電極２０と支持層８６の上に配置され、上側電極２８は、圧電材料２２の上面の少なくとも一部の上に配置されている。上側電極２８と下側電極２０との間に配置された圧電材料２２の部分は、ＦＢＡＲ構造８０の活性領域３０を具現化する。活性領域３０は、支持層８６の下に配置されたキャビティ８４の上に配置され、示されている（registered with）。音波はキャビティ８４を横切って効率的に伝搬しないので、キャビティ８４は、基板８２へ音響エネルギーの散逸を防止することによって、活性領域３０に誘導される音波を閉じ込める働きをする。この点において、キャビティ８４は、図１、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ、図９および図１０Ａ〜１０Ｅに示される音響反射体１４の代替を提供する。図１１Ａに示すキャビティ８４は、基板８２の薄い部分によって下部から境界を画定されるが、代替的な実施形態において、キャビティ８４の少なくとも一部は、基板８２の全体的な厚さにわたって延在することができる。ＦＢＡＲ構造８０を形成する工程は、基板８２にキャビティ８４を画定し、任意に犠牲材料を平坦化した後に犠牲材料（図示しない）でキャビティ８４を充填し、基板８２と犠牲材料の上に支持層８６を堆積し、犠牲材料を除去し（例えば、基板８２または支持層８６に画定された垂直開口部、または基板８２の側縁部を介してエッチャントを流すことによって）、支持層８６上に下側電極２０を堆積し、圧電材料２２を（例えば、スパッタリングまたは他の適切な方法によって）成長させ、そして、上側電極２８を堆積させること、を含む。特定の実施形態では、上側電極２８、圧電材料２２および下側電極２０を組み合わせて自己支持性とすることができ、活性領域３０の近傍でエッチングによって支持層８６を省略および／または除去することができる。
【０１０５】
図１１Ｂは、図１１ＡのＦＢＡＲ構造８０の概略断面図であり、気密層３２、界面層３４、自己組織化単層３６、および機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）の添加が続く。気密層３２は、圧電材料２２全体（ならびに上側電極２８）の上に配置され、一方で機能化材料３８、ＳＡＭ３６、および界面層３４は、活性領域３０の上にのみ配置される。図１１Ｂに示すように、場合によりマイクロ流体装置の一部として、分析物４２を含む媒体（例えば、液体または他の流体）に機能化材料３８を曝露した後に起こり得るように、分析物４２が機能化材料３８に結合される。流体装置の文脈では、活性領域３０の上流のＳＡＭ３６の上に、追加の機能化材料（図示せず）が提供され、少なくとも１つの吸収体（図示せず）を形成してもよいことを理解されたい。
【０１０６】
本開示を検討する際に当業者に認識されるように、特定の実施形態では、図１１Ａおよび図１１ＢのＦＢＡＲ構造８０は、本明細書で以前に開示された堅固に取り付けられたＢＡＷ共振器構造を代替することができる。特定の実施形態では、図１１ＢのＦＢＡＲ構造８０は、１つまたは複数の機能化された活性領域の上流に配置された１つまたは複数の吸収体（機能化材料を含む）を含む流体装置（例えば、マイクロ流体装置）に組み込むことができる。
【０１０７】
図１２は、本明細書で開示されるように、気密層、界面層、自己組織化単層、および／または機能化（例えば、特異的結合）材料を受けるのに適したバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０（図１に示す共振器装置１０の部分と一致する）の平面図であり、ＭＥＭＳ共振器装置１０は、本明細書で開示される流体装置のベース構造として機能することができる。ＭＥＭＳ共振器装置１０は、基板１２上に配置された圧電材料（図示せず）、圧電材料の一部の下に配置された下側電極２０、および圧電材料の一部の上に配置された上側電極２８を含み、圧電材料が上側電極２８と下側電極２０との重なり部分の間に配置された活性領域３０を含む。外部接近可能な接点２０Ａ、２８Ａは、それぞれ、下側電極２０および上側電極２８と電気的に連絡している。共振器装置１０の一部が、本明細書で開示されるように、界面層、自己組織化単層、および機能化（例えば、特定の結合）材料で覆われた後、共振器装置１０は、センサーとして使用され、および／またはマイクロ流体装置へ組み込まれてもよい。必要に応じて、複数の共振器デバイス１０は、単一の基板１２上にアレイで提供されてもよい。さらに、ＭＥＭＳ共振器装置１０を組み込んだ流体装置（例えば、マイクロ流体装置）は、本明細書で開示されるような、活性領域３０の上流に配置されている、１つまたは複数の吸収体（機能化材料を含む）を含んでもよい。
【０１０８】
図１３は、（ベース構造を形成する）複数のバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置、ＭＥＭＳ共振器装置の活性領域９８Ａ〜９８Ｎで示される中央マイクロ流体チャネル１１２を画定する中間壁構造層１１０、および中間壁構造層１１０を覆うように配置されたカバー構造層１２０を有する基板９２を組み込んだマイクロ流体装置９０の組み立て斜視図である。音響反射体（図示せず）および圧電材料（図示せず）を含む基板９２の上部中央部分は、上側電極９６および下側電極９４Ａ〜９４Ｎを含む。上記電極が互いに重なり、圧電材料を挟む領域は、活性領域９８Ａ〜９８Ｎを具現化する。５つの活性領域が図１３に示されているが、任意の適切な数の活性領域９８Ａ〜９８Ｎが設けられ、直列または並列に流動的に配置されてもよい。基板９２の上部周辺（または上部端）部分は、参照オーバーラップ領域１００と連通する参照上側電極１０６および基準下側電極１０４をさらに含む。このような基準オーバーラップ領域１００は、流体にさらされず、中央マイクロ流体チャネル１１２内で流体に暴露される活性領域９８Ａ〜９８Ｎから得られた信号を比較するための基礎を提供する。基板９２は、中間壁構造層１１０で覆われ、ここで中央マイクロ流体チャネル１１２は流体を受け取るように意図されており、シールされた状態で基準オーバーラップ領域１００を覆うように配置された周辺チャンバ１１４が画定される。中間壁構造層１１０は、ＳＵ−８ネガティブエポキシレジスト、他のフォトレジスト材料、または場合によっては１つまたは複数の自己接着性表面（例えば、接着テープ）等を含む薄いポリマー材料のレーザーカット「ステンシル」層などの任意の適切な材料で形成されてもよい。中間壁構造層１１０はさらに、マイクロ流体装置９０の組み立ての際に上側電極９６および下側電極９４Ａ〜９４Ｎの側方部分にアクセス可能にする側方挿入領域１１６を含む。カバー構造層１２０は、中間壁構造層１１０の側方挿入領域１１６で示される側方挿入領域１２６を含み、カバー構造層１２０の上面１２８に沿ってアクセス可能であり、中間壁構造層１１０で画定された中央マイクロ流体チャネル１１２の端部で示されるマイクロ流体ポート１２２、１２４を含み、流体（例えば、液体）が活性領域９８Ａ〜９８Ｎの上にチャネル１１２に供給されることを可能にする。好ましくは、少なくとも電極９４Ａ〜９４Ｎ、９６は、本明細書に開示されているような気密層、界面層、自己組織化単層、および機能化（例えば、特異的結合）材料で覆われている。特定の実施形態では、駆動回路は、電極９４Ａ〜９４Ｎ、９６に交流を適用して、圧電材料に支配的な剪断応答を選択的に呈させるように構成することができる。図示されていないが、機能化材料を含む複数の吸収体が、中央マイクロ流体チャネル１１２を画定する表面上に設けられてもよく、以下のうちの１つまたは複数を含む：ベース構造（活性領域９８Ａ〜９８Ｎと一致しない領域で、基板９２の上に形成された圧電材料および／または電極から上方に延びている）、中間壁構造層１１０、またはカバー構造層１２０。本開示をレビューすることにより当業者に認識されるように、他の構成によるマイクロ流体デバイスを提供することができる。
【０１０９】
本開示の様々な実施形態で得られる技術的利点は、１または複数の以下のものを含んでもよい：（例えば、バイオセンシングまたは生化学的センシング用途に適切な装置を含む）バルク音波共振器ベースのセンシング装置の強化された動的測定範囲、および、バルク音響共振器ベースのバイオセンシングまたは生化学的センシング装置と共に希釈されていないサンプルの使用可能化。
【０１１０】
当業者は、本開示の好ましい実施形態の改善点および修正点が分かるだろう。そのような改善点および修正点はすべて本明細書で開示し以下で請求する概念の範囲に含まれるものとみなされる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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